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1.3.8 Código técnico español y golpe de ariete
En la parte superior de los montantes o ascendentes deben instalarse dispositivos de purga, automáticos o manuales, con un separador o cámara que reduzca la velocidad del agua facilitando la salida del aire y disminuyendo los efectos de los posibles golpes de ariete (apartado 3.2.1.2.6 Ascendentes o montantes).
Las bombas no deben conectarse directamente a las tuberías de llegada del agua de suministro, sino que deben alimentarse desde un depósito, excepto cuando vayan equipadas con los dispositivos de protección y aislamiento que impidan que se produzca depresión en la red.
Esta protección debe alcanzar también a las bombas de caudal variable que se instalen en los grupos de presión de acción regulable e incluirá un dispositivo que provoque el cierre de la aspiración y la parada de la bomba en caso de depresión en la tubería de alimentación y un depósito de protección contra las sobrepresiones producidas por golpe de ariete.
En los grupos de sobreelevación de tipo convencional, debe instalarse una válvula antirretorno, de tipo membrana, para amortiguar los posibles golpes de ariete (apartado 3.3.6 Grupos motobomba).
La suma de golpe de ariete y de presión de reposo no debe sobrepasar la sobrepresión de servicio admisible. La magnitud del golpe de ariete positivo en el funcionamiento de las válvulas y aparatos medido inmediatamente antes de estos, no debe sobrepasar 2 bar; el golpe de ariete negativo no debe descender por debajo del 50 % de la presión de servicio (apartado 5.5.1.3.4 Protección contra esfuerzos mecánicos).
Para el llenado de la instalación se abrirán al principio solo un poco las llaves de cierre, empezando por la llave de cierre principal. A continuación, para evitar golpes de ariete y daños, se purgarán de aire durante un tiempo las conducciones por apertura lenta de cada una de las llaves de toma, empezando por la más alejada o la situada más alta, hasta que no salga más aire. A continuación se abrirán totalmente las llaves de cierre y lavarán las conducciones (apartado 7.2 Nueva puesta en servicio).
El Código Técnico español reitera algunos aspectos ya comentados, como que el golpe de ariete suele ser el causante de graves problemáticas como por ejemplo:
• Estropea el sistema de abastecimiento de agua.
• Fisura las conducciones.
• Arranca codos y uniones.
• Deteriora soldaduras.
• Origina ruidos y vibraciones.
• Rotura de los cierres cerámicos de las griferías monomando.
• Fatigas prematuras de materiales.
Para evitar el golpe de ariete existen diversos sistemas:
Para los causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de agua, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más deberá durar el cierre.
Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico.
Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales (1a función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el agua, para evitar que se generen vacíos; 2a función: extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el agua acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire; 3a función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por un lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y por otro una vía para evacuar las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa).
Es cierto que parte de la onda se refleja en los cambios de diámetro y que la magnitud de la sobrepresión depende de la frecuencia natural de cada tramo.
Si un tramo tiene menor celeridad de transmisión de la onda y le antecede otro con mayor celeridad (por ejemplo con menor diámetro y mayor velocidad inicial) entonces el segundo tramo sólo será capaz de transmitir una parte de la sobrepresión; la proporción restante de la onda se reflejará en sentido contrario.
Capítulo 2
Físico-química del agua
2.1 Características físicas del agua
Las características físicas de una sustancia son las relacionadas con su aspecto, mientras que las características químicas son las que se utilizan a menudo en química para tratar el estado de una sustancia.
El agua químicamente pura es un líquido inodoro, insípido, incoloro y transparente. En capas de poco espesor, de seis y ocho metros, toma un color azul porque absorbe las radiaciones rojas. Sus constantes físicas sirvieron para marcar los puntos de referencia de la escala termo- métrica centígrada. A la presión atmosférica de 760 milímetros de mercurio el agua hierve a una temperatura de 100°C elevándose el punto de ebullición hasta los 374°C, que es la temperatura crítica correspondiente a la presión de 217,5 atmósferas. El agua se comporta anormalmente ofreciendo la particularidad de que su densidad a la temperatura de 4°C es máxima, tomándose por unidad. A partir de 4°C no solo se dilata cuando la temperatura se eleva, sino también cuando se enfría hasta 0°C: a esta temperatura su densidad es de 0,99980 y al congelarse desciende bruscamente hasta 0,9168, que es la densidad del hielo a 0°C, lo que significa que en la cristalización su volumen aumenta en un 9 por 100.
Las características físicas del agua abarcan, además de las citadas, los aspectos organolépticos que son aquellos que se pueden percibir a través de los sentidos (color, olor, sabor…).
2.1.1 Caracteres organolépticos
Color
El color del agua suele ser debido a substancias en disolución o a substancias en suspensión. La coloración de las aguas superficiales es bastante común, al tiempo que es prácticamente imposible en las aguas de pozo o de manantial. Son causantes del color el material orgánico en descomposición (ácidos húmicos) inocuos y algunos minerales disueltos de hierro y manganeso. Un tinte amarillo indicará la presencia de ácidos húmicos; un color rojizo indicará la presencia de hierro precipitado. Las manchas en los sanitarios del cuarto de baño o en la colada también se asocian a la presencia de ciertos minerales: por ejemplo, el marrón rojizo indica el hidróxido férrico (más de 0,3 ppm de Fe), que se precipitará al exponerse el agua al aire; las de marrón oscuro o negro, se deben al manganeso. El exceso de cobre produce color azul, el aspecto lechoso puede tener su origen en un exceso de aire debido al funcionamiento defectuoso de una bomba o al arrastre excesivo del coagulante aplicado en la planta de filtrado.
Olor
En el agua, los malos olores y también los malos sabores se deben a los compuestos derivados del crecimiento biológico, actividades industriales, tratamientos químicos, o a la misma fontanería, pero la causa más común es la vegetación descompuesta. El cloro puede reaccionar con estos organismos causando malos olores; por ejemplo, el olor a «huevos podridos» es típico del sulfuro de hidrógeno, un gas muy corrosivo, que reaccionará con el hierro para formar un lodo negro de sulfuro de hierro. La presencia de algas verde-azuladas puede dar lugar a un olor a hierba, moho o especias. El olor a pescado, a moho o a tierra es debido a materia orgánica, generalmente inocua, que con frecuencia se encuentra en las fuentes de agua superficial. El olor a cloro es debido a una cloración excesiva.
Sabor
El sabor salado se produce cuando los cloruros se encuentran en el agua en una proporción de 500 mg/l o más (aguas salobres) y se debe a:
1. Alto contenido de sodio o magnesio (es decir, NaCl, NaSO4, MgSO4)
2. Mal funcionamiento del ablandador de agua, que permite el paso de salmuera a las tuberías.
El sabor metálico tiene su origen en:
1. Un pH del agua muy bajo (del orden de 4,5 a 5,5).
2. Una fuerte concentración de hierro en el agua (superior a 3,0 ppm de Fe).
Turbidez
La turbidez es un parámetro relacionado con el grado de transparencia y limpieza del agua que, a su vez, depende de la cantidad de sólidos en suspensión del agua, que pueden ser resultado de una posible actividad biológica o simplemente de una presencia de componentes no deseables (arena, arcilla, sedimentos o el hierro).
Las materias en suspensión son aquellas que cuyo tamaño es el coloidal, es decir partículas cuyo tamaño está comprendido entre 0,1 µm (micrón) y 1,0 nm (nanómetro). Las materias decantables son aquellas que están en suspensión grosera y cuyo tamaño es superior a 0.1 µm. Todo ello tiene importancia cara a la filtración, procesos electrolíticos y sobre todo cara a la corrosión por erosión.
Se manifiesta en la mayoría de las aguas superficiales pero, normalmente, no existe en las aguas subterráneas, excepto en algunos pozos y en los arroyos después de fuertes lluvias.
2.2 Características químicas del agua
El agua es quizá el compuesto químico más importante en las actividades del hombre y también el más versátil, ya que como reactivo químico actúa como ácido, álcali, ligante, agente oxidante y agente reductor y debido a su gran capacidad disolvente (el agua es el líquido que más sustancias disuelve) toda el agua que se encuentra en la naturaleza contiene diferentes cantidades de diversas substancias en solución y hasta en suspensión, lo que corresponde a una mezcla.
En cuanto a las propiedades químicas del agua sabemos que:
1. Reacciona con los óxidos ácidos.
2. Reacciona con los óxidos básicos.
3. Reacciona con los metales.
4. Reacciona con los no metales.
5. Se une a las sales formando hidratos.
• Es un compuesto muy estable; sin embargo se ha observado que el hidrógeno y el oxígeno se descomponen por encima de 1.600°C.
• Su molécula está formada por hidrógeno y oxígeno en proporción de 1:8 en masa y de 2:1 en volumen.
• Su fórmula química es H2O; es decir, el oxígeno está unido a cada hidrógeno por medio de un enlace covalente sencillo (existe un par de electrones que los unen).
• Su masa molecular es 18,016.
• El agua se descompone con un voltámetro (no confundirlo con un voltímetro, el cual mide el potencial eléctrico), por medio de la corriente eléctrica, empleando un electrolito (disolución que conduce la electricidad y contiene iones positivos y negativos). En el cátodo (electrodo negativo) se desprende hidrógeno y en el ánodo (electrodo positivo) el oxígeno.
• En la síntesis volumétrica del agua (preparación de compuestos químicos a partir de sustancias más sencillas) se observa que el hidrógeno y el oxígeno se combinan siempre, como se ha dicho, en la proporción de 2:1.
• Reacciona con algunos metales como el sodio, el potasio (produciendo una reacción violenta) y el calcio dando el hidróxido del metal correspondiente e hidrógeno que se desprende en forma de gas.
• Se combina con los anhídridos formando ácidos (oxiácidos).
• Reacciona con los metales produciendo óxidos (corrosión).
2.3 Otras propiedades físico-químicas del agua
Difusión
La difusión es el movimiento de partículas desde un área donde están en alta concentración (solución hipertónica) a un área donde están en menor concentración (solución hipotónica) separadas o no mediante una membrana permeable hasta que estén repartidas uniformemente (solución isotónica). Es decir se trata del desplazamiento de partículas para obtener un equilibrio de la concentración de cualquier substancia en el espacio debido al movimiento caótico de las moléculas, dándose en el caso no solo de líquidos en líquidos, o de sólidos en líquidos, sino también de gases en gases, de gases en líquidos, etc. Si no intervienen acciones exteriores, la difusión se llama pasiva.
Osmosis y osmosis inversa
Figura 2.1 Principio de la ósmosis y la ósmosis inversa
La difusión pasiva a través de una membrana semipermeable (membrana porosa que deja pasar el fluido pero no los sólidos disueltos minerales, materia orgánica, microorganismos, etc.) se le llama osmosis. Fenómeno que consiste en el paso del solvente de una solución de menor concentración (más diluida) a otra de mayor concentración separadas por una membrana semipermeable. Entendemos por presión osmótica, a aquella que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. La difusión del solvente se detiene cuando se alcanza el equilibrio en la concentración o cuando la presión hidrostática es superior a la osmótica.
Si sobre la columna de fluido concentrado ejercemos una presión superior a la presión osmótica, se obtendrá el efecto inverso llamado osmosis inversa mediante el cual el agua pasa a través de la membrana pero no los sólidos disueltos. Sus aplicaciones principales se centran en el tratamiento del agua.
Capilaridad
Es el ascenso o descenso de un líquido en un tubo de pequeño diámetro (tubo capilar), o en un medio poroso (por ejemplo, un suelo), debido a la acción de la tensión superficial del líquido sobre la superficie del sólido. Este fenómeno es una excepción a la ley hidrostática de los vasos comunicantes y lo hemos tratado en el apartado 1.1.4.
Conductividad
La conductividad es una medida de la capacidad que tiene el agua para conducir la corriente eléctrica. Los valores de conductividad vienen expresados normalmente en µS/cm (microsiemens por centímetro). El agua es más o menos conductora de la corriente eléctrica según la concentración en sales disueltas. La conductividad expresa la mineralización global de un agua (Cuadro V). La resistividad es la inversa de la conductividad y se expresa en ohms centímetro (Ω·cm).
En soluciones acuosas la conductividad es directamente proporcional a la concentración de sólidos disueltos, por lo tanto cuanto mayor sea dicha concentración, mayor será la conductividad. Normalmente en la determinación de los TDS (Sólidos Disueltos Totales) en mg/lse utiliza un factor de correlación de 0,5 respecto del valor de la conductividad en µS/cm. Aunque no es exacto, se acepta este valor con el que la concentración de TDS es casi equivalente a la concentración del cloruro de sodio en aguas naturales. Sin embargo en la mayoría de las aguas naturales el NaCl no es la única sal disuelta en la solución, teniendo cantidades sustanciales de iones Ca, Mg, Na, Si, Cl, HCO3 CO3 cuya combinación nos da un factor más cercano a 0,64 que a 0,5.
PH o potencial de hidrógeno
Indica la concentración de iones de hidrógeno presentes en el agua, es decir si un agua es más ácida o más básica; dicho de otra forma, la escala pH mide la acidez o alcalinidad de cualquier disolución, en nuestro caso concreto del agua. En disolución neutra el pH es igual a 7, en disolución ácida el pH es menor que 7 y en disolución alcalina el pH será mayor que 7. Cuanto más alejado de 7 sea el pH del agua, mayor será su carácter ácido (pH 6,5) o alcalino (pH 8, 9). La determinación del pH del agua es un problema que se plantea con gran frecuencia en los laboratorios y en la industria. Su valor exacto (en general no es posible conocerlo con más de dos cifras decimales) implica la medición del potencial de un electrodo de hidrógeno (procedimiento electrométrico –peachímetros–). Otro procedimiento para determinar el pH con cierta aproximación es el de los indicadores (medición colorimétrica del pH). Un indicador es una sustancia que cambia de color dentro de un pequeño intervalo de pH y que se pueden añadir directamente a la disolución o utilizarlas en forma de tiras de papel llamadas indicadores.
Electrolitos
El agua se considera disolvente universal. Cuando disuelve a un mineral, se producen nuevos materiales a partir de los átomos liberados del mineral. Estas partículas fundamentales se llaman iones. La ruptura de un compuesto químico mediante su disolución en agua forma cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente. En general, un aumento en la temperatura del agua provoca un aumento en la solubilidad de la mayor parte de las sales. Excepciones importantes y notables son el carbonato cálcico CaCO3, sulfato cálcico CaSO4, carbonato magnésico MgCO3 y el hidróxido de magnesio Mg (OH)2; todas ellas se vuelven menos solubles al aumentar la temperatura, lo que constituye una de las causas de la formación de incrustaciones en las tuberías al aumentar la temperatura del agua.
Figura 2.2 Diferencia entre celdas galvánicas y electrolíticas
2.3.1 Celda electroquímica
En ella pueden tener lugar procesos electroquímicos con el paso de una corriente eléctrica. Si la celda electroquímica produce energía eléctrica, causada por el consumo de energía química, se dice que tenemos una celda galvánica o pila. Si, en cambio, la celda electroquímica consume corriente de una fuente de corriente externa, almacenando como consecuencia energía química, se dice que tenemos una celda electrolítica.
Algunas celdas galvánicas reciben nombres especiales. Una celda de corrosión es una celda o pila galvánica en la cual las reacciones electroquímicas que tienen lugar conducen a la corrosión. Una celda de corrosión de dimensiones muy pequeñas (por ejemplo (< 0,1 mm) se conoce como celda de acción localizada o microcelda galvánica. Las celdas locales o micropilas se dan, por ejemplo, en aleaciones multifásicas o en metales con recubrimientos que presentan buena conductividad eléctrica o en inclusiones de óxidos, sulfuras, carbón, etc. La acción de estas celdas a menudo conduce a un ataque localizado, tal como picaduras o corrosión bajo tensión.
Definición de ánodo y cátodo
Para la notación de los dos electrodos en una celda electroquímica (galvánica o electrolítica) son válidas las siguientes definiciones generales: el ánodo es el electrodo en el cual, o a través del cual, la corriente positiva pasa hacia el electrolito. El cátodo es el electrodo en el cual entra la corriente positiva proveniente del electrolito.
Generalmente, se toman como válidas las siguientes reglas:
1. La reacción anódica es una oxidación y la reacción catódica una reducción.
2. Los aniones (iones negativos) migran hacia el ánodo y los cationes (iones positivos) hacia el cátodo. Hay que hacer notar que particularmente en una celda galvánica, por ejemplo en una pila seca (figura 9), la corriente positiva fluye del polo (+) al (-) en el circuito externo; mientras que dentro de la celda, la corriente positiva fluye del (-) al (+).
2.4 Corrosión
2.4.1 Corrosión electroquímica
La corrosión electroquímica es un proceso espontáneo que denota siempre la existencia de una zona anódica (la que sufre la corrosión), una zona catódica y un electrolito, y es imprescindible la existencia de estos tres elementos, además de una buena unión eléctrica entre ánodos y cátodos, para que este tipo de corrosión pueda tener lugar. La corrosión más frecuente siempre es de naturaleza electroquímica y resulta de la formación sobre la superficie metálica de multitud de zonas anódicas y catódicas; el electrolito es, en caso de no estar sumergido o enterrado el metal, el agua condensada de la atmósfera, para lo que la humedad relativa deberá ser del 70%.
Figura 2.3 Reacciones anódicas y catódicas en los procesos electroquímicos
El proceso de disolución de un metal en un ácido es igualmente un proceso electroquímico. La infinidad de burbujas que aparecen sobre la superficie metálica revela la existencia de infinitos cátodos, mientras que en los ánodos se va disolviendo el metal. A simple vista es imposible distinguir entre una zona anódica y una catódica, dada la naturaleza microscópica de las mismas (micropilas galvánicas). Al cambiar continuamente de posición las zonas anódicas y catódicas, llega un momento en que el metal se disuelve totalmente.
Las reacciones que tienen lugar en las zonas anódicasy catódicas son las indicadas en la figura 2.3.
